一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法

2023-05-14 18:32:31

一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法，所述的系統包括實時行車安全狀態判斷模塊和自動換道控制模塊，實時行車安全狀態判斷模塊與自動換道控制模塊連接；實時行車安全狀態判斷模塊包括制動臨界距離計算模塊和安全狀態判斷模塊，自動換道控制模塊包括建立橫向動力學和CarSim整車動力學模型模塊、求取期望橫擺角速度模塊和設計終端滑模換道控制器模塊。所述的方法，包括實時行車安全狀態判斷和進行自動換道控制兩個步驟。本發明將前方行人作為主動防碰撞的研究對象，並通過實時計算制動臨界距離來判斷行車是否處於危險狀態並給與相應的自動控制，保證了換道過程中較好的平順性和操縱穩定性，保護了前方行人的安全。
【專利說明】一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於汽車智能控制領域，涉及車輛自動換道控制技術，特別涉及一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法。

【背景技術】
[0002]隨著各國對道路交通安全的重視以及智能交通系統的不斷發展，汽車主動防碰撞系統已經成為國內外研究的熱點。在現有的汽車主動防碰撞系統中主要考慮的是前方的車輛，並沒有考慮車外行人等交通弱勢群體。在遇到緊急情況時，駕駛員通常情況下習慣於操作剎車使車輛停下來從而避開障礙物而不是通過控制轉向而避開障礙物。針對這兩個問題，建立基於行人安全的行車安全判斷模塊以及旨在保護行人的車輛自動換道控制系統，是未來汽車主動防碰撞預警系統的重要組成。


【發明內容】

[0003]為解決現有技術存在的上述問題，本發明要設計一種可以實時進行行車安全判斷，並在前方行人處於危險狀態下實現車輛自動換道控制的汽車主動防碰撞自動換道控制系統及其工作方法。
[0004]為達到上述目的，本發明的技術方案如下:
[0005]—種汽車主動防碰撞自動換道控制系統，包括實時行車安全狀態判斷模塊和自動換道控制模塊，所述的實時行車安全狀態判斷模塊與自動換道控制模塊串聯連接；所述的實時行車安全狀態判斷模塊包括制動臨界距離計算模塊和安全狀態判斷模塊，所述的自動換道控制模塊包括建立橫向動力學和CarSim整車動力學模型模塊、求取期望橫擺角速度模塊和設計終端滑模換道控制器模塊。
[0006]一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統的工作方法，包括以下步驟:
[0007]A、實時行車安全狀態判斷
[0008]實時行車安全狀態判斷模塊檢測到本車前方行人後，本車和前方行人必須保持一定的安全距離，否則將會被判定為處於危險狀態，需要對本車進行控制。現對避撞場景做如下簡化:
[0009]a、只考慮相同車道內前方出現的行人。
[0010]b、考慮行車安全為主要目的，並不考慮道路交通效率。
[0011]C、同車道前方的行人的速度相對於本車的速度近似為O。
[0012]d、只考慮直線道路上的車輛換道並且換道過程中車輛的縱向速度不變。
[0013]Al、制動臨界距離計算
[0014]制動臨界距離計算模塊建立單車道內本車與前方行人不發生碰撞的最小安全距離模型。在求取制動臨界距離時採用基於制動過程的安全距離模型，根據實時獲取到同車道前方行人與本車間的相對距離山來判斷車輛是否處於安全狀態。行人速度相對於車輛的速度近似為靜止，因此得制動臨界距離為下式:
[0015]
d = vXditr + ~τ) + TT^+(I)

2 2滬g
[0016]式中，vx0為本車的初始速度t,為駕駛員反應時間和制動協調時間之和，取值為
0.8?LOs^i為減速度增長的時間，取0.1?0.2s P力路面附著係數，妒的取值為0.6?
0.8，g = 9.8m/s2, d0為本車停止時最低要求的距離。
[0017]A2、行車安全狀態判斷
[0018]在獲取制動臨界距離後，安全狀態判斷模塊對本車的行車安全狀態進行判斷，判斷依據如下公式:
[0019]d 彡 dw (2)
[0020]如果本車與行人之間的實時距離d滿足公式(2)，駕駛員仍然沒有做出換道行駛或者其他安全措施，則判定為行車危險，需要對本車做自動換道處理。否則，行車處於安全狀態，車輛保持原狀態行駛。
[0021]B、進行自動換道控制
[0022]自動換道控制模塊基於期望橫向加速度的避撞換道軌跡，採用終端滑模控制方法，通過對橫擺角的控制，使得實際橫擺角和期望的橫擺角的誤差趨於0，實現對換道軌跡的跟蹤，進而實現車輛避撞行人的自動換道控制，具體包括以下步驟:
[0023]B1、建立橫向動力學和CarSim整車動力學模型
[0024]車輛動力學模型採用源於Ackermann所提出的理想模型，僅考慮車輛的橫向運動和橫擺運動，未涉及車輛縱向速度變化以及側傾運動的影響。前輪轉向的車輛橫向動力學模型表示為:
[0025]

2(C, 1,2 + C 12) 2(C, I, -Cl ) 2C, /,..V / fr r / *V / /r r/ ,f t ο\
φ =--—-φ--—-V.+~—?(I)
I VI V' IW
Z XZ XZ.2(C, + Cr) 「■ 2(CVrCr/,.)l ■…
V=~1-Vv- Vjc+~-φ + ^δ(4)
mvxmvxm
[0026]式中，νχ、Vy和泠分別為車輛縱向速度、橫向速度和橫擺角速度，m為整車質量，Iz
為車輛繞垂直軸的轉動慣量，If和L分別為質心到前軸的距離和質心到後軸的距離，cf、Cr分別為前後輪胎的側偏剛度，δ為前輪轉向角。令ICJf
[0027]U1 = ! 1 δ(5)
2C
[0028]U2 =~jS(6)
m
[0029]則式(3) (4)可簡寫成
[0030]
2(Cflf2+CJ12) I(CJf-CJr)..V j}r r yv / /r r /.ψ=--—j-φ--—-'+W1(7)


Z、X
? 2(^ν+?.) 「，2(皆訓..…、
'=----Vv — Vv+----φ + ιι(8)
' mvx.[mvx' ^
[0031]B2、求取期望的橫擺角速度
[0032]考慮到直車道內的車輛換道，假設換道過程中橫向加速度滿足正反梯形約束條件:
^maxO!'
[0033](9)
0else
[0034]上式滿足以下條件:
[0035]tfto = t5-t4 = Δ χ
[0036]t2-tx = t4_t3 = Δ 2 (10)
[0037]t3~t2 = 2 (tft。)= 2 Δ x
[0038]式中，h為換道開始時刻，t5為換道結束時刻，Jniax為最大的橫向加速度。對Jd(t)積分得期望橫向加速度見(O，對期望橫向加速度凡(O積分得橫向速度九(O、對橫向速度九(O積分得橫向位置yd(t)，A1和A2按下式計算:
[0039]A1 = BmaxZJmax (11)
3 I Γ~, Ar.
[0040]Δ2 =--Δ1+-1Af+ I(12)

Ymax I
[0041]式中，！^為起始車道和目的車道中心線間距，amax為換道過程中最大橫向加速度。
假定換道過程中車輛的縱向速度不變，則期望的橫擺角、橫擺角速度為下式:
[0042]


y
φ?1 (/) = arclan —(13)
^V 』
色(0= ^ ,(14)
v, +y/v J
[0043]B3、終端滑模換道控制器設計
[0044]B31、求取前輪轉向角控制量
[0045]車輛的橫擺角速度Φ依靠車載傳感器檢測，車輛橫擺角計算如下:
[0046]
φ(?) = \ιοΦ(^?,(15)
[0047]定義橫擺角誤差為:
[0048]φ,(?)^φ{?)-φ?:(1)(16)
[0049]採用終端滑模控制方法，設計切換函數
[0050]
S = Φ,.^ Wr ^ cIlfPrllk(17)
[0051]其中:qi>0，Q2X^k1和I1為正奇數，且I1Sk1，對式(17)求導，得
[0052]
S = 9,.+qAφ,hlh^pr
k
2(?./,2+?./,.2).2(cfif-cjr)...^kl(18)
=--—-φ--—τ-Vr +UiId +q肌 φΓ ιΛ φ
1^x ' k
[0053]由i = O，得等效控制為
[0054]
XCfIf+Cl:) , %Cflf -Cl )...qj^ ].^^=^4-^^7——η(19)
ZrV1Lvx 'I1
[0055]設計非線性滑模控制為
[0056]U1 = -ps-φ^1'1/11(20)
[0057]其中，P >0, Φ>0屯和I2為正奇數，且l2>k2，取控制量為
[0058]U1 = ulequ+uln (21)
[0059]為控制車輛側滑運動的穩定性，令Vy滿足
[0060]Vj7 = -Qvy(22)
[0061]根據橫向動力學模型，得控制量
[0062]
,.2(Cf + C?).「.2(Cr/r-C,./,'小…、
U2 = -Qvy + ---Vv + V1 + ——- φ(23)
mvxWv1、 /
[0063]最終求得前輪轉向角為
c _M丨-
[0064]0 = 2CfIf/L-2Cf/m(24)
[0065]B32、穩定性分析
[0066]取Lyapunov函數7 = ，對其求導，得
[0067].' 2(Cfif+C,J；) , I(CfIf-CJr)『 病爭- ?、
V= SS = S--l1J-φ---vy+Uf(pd+q低++φ/1' φΓ(25)
_^zVx1 V1_
[0068]推得f = -[ps2 +秘補:]。因此，當s古O時，滻< 0，說明切換函數s = O具有漸進可達性。
[0069]假定自動換道控制系統在終端滑模換道控制器的作用下到達切換函數s = O時，橫擺角誤差不為0，由s = O得爐+q^r+q,^'1'' =O0因為qi>0，q2>0, Ii1和I1為正奇數，
且l/kZl，通過分析微分方程也+g說=0的解知道，在滑動模態，橫擺角跟蹤誤差死在有限時間內收斂到O。
[0070]由V = -CV, , (?>0，當 t —00，Vy — O。
[0071]B33、換道控制
[0072]根據期望的橫擺角速度和實際的橫擺角速度，終端滑模控制器通過對橫擺角的控制使得實際橫擺角和期望的橫擺角的誤差趨於0，求得控制變量前輪轉向角，對CarSim整車動力學模型進行控制，實現對換道軌跡的跟蹤控制，進而達到自動換道控制的目的。
[0073]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0074]1、本發明將前方行人作為主動防碰撞的研究對象，並通過實時計算制動臨界距離來判斷行車是否處於危險狀態並給與相應的自動控制。
[0075]2、本發明針對危險情況設計了自動防碰撞控制系統，基於期望橫向加速度的避撞換道軌跡設計了終端滑模控制器，實現了危險情況下的車輛的自動換道，整個換道變化過程中變化較為平穩，保證了換道過程中較好的平順性和操縱穩定性，保護了前方行人的安全。
[0076]3、本發明採用CarSim軟體提供的仿真的CarSim整車動力學模型,包括車體、傳動系統、制動系統、轉向系統、懸架系統和輪胎等，該|吳型能夠1吳擬車輛運打工況，反映系統動態特性並能兼顧模型精確性，使得仿真結果更好的反應真實場景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0077]本發明共有附圖2幅，其中:
[0078]圖1是本發明汽車主動防碰撞控制系統組成示意圖。
[0079]圖2是本發明汽車主動防碰撞控制系統自動換道控制示意圖。

【具體實施方式】
[0080]下面結合附圖對本發明進行進一步說明。如圖1所示，一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統，包括實時行車安全狀態判斷模塊和自動換道控制模塊，所述的實時行車安全狀態判斷模塊與自動換道控制模塊串聯連接；所述的實時行車安全狀態判斷模塊包括制動臨界距離模塊和安全狀態判斷模塊，所述的自動換道控制模塊包括橫向動力學和CarSim整車動力學模型模塊、期望橫擺角速度模塊和終端滑模換道控制器模塊。
[0081]如圖2所示，一種汽車主動防碰撞系統自動換道控制包括期望橫擺角速度，終端滑模控制器，CarSim整車模型和自車傳感器部分。期望的橫擺角速度Wd和實際橫擺角速度W之間的插值作為終端滑模控制器的控制輸入，前輪轉向角δ作為終端滑模控制器的控制輸出，將終端滑模控制器的輸出值傳遞給CarSim整車模型，自身傳感器將所獲得的實際橫擺角速度W再次傳給終端滑模控制器的輸入端。
【權利要求】
1.一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統，其特徵在於:包括實時行車安全狀態判斷模塊和自動換道控制模塊，所述的實時行車安全狀態判斷模塊與自動換道控制模塊串聯連接；所述的實時行車安全狀態判斷模塊包括制動臨界距離計算模塊和安全狀態判斷模塊，所述的自動換道控制模塊包括建立橫向動力學和CarSim整車動力學模型模塊、求取期望橫擺角速度模塊和設計終端滑模換道控制器模塊。
2.一種汽車主動防碰撞自動換道控制系統的工作方法，其特徵在於:包括以下步驟: A、實時行車安全狀態判斷 實時行車安全狀態判斷模塊檢測到本車前方行人後，本車和前方行人必須保持一定的安全距離，否則將會被判定為處於危險狀態，需要對本車進行控制；現對避撞場景做如下簡化: a、只考慮相同車道內前方出現的行人； b、考慮行車安全為主要目的，並不考慮道路交通效率； C、同車道前方的行人的速度相對於本車的速度近似為O ; d、只考慮直線道路上的車輛換道並且換道過程中車輛的縱向速度不變； Al、制動臨界距離計算 制動臨界距離計算模塊建立單車道內本車與前方行人不發生碰撞的最小安全距離模型；在求取制動臨界距離時採用基於制動過程的安全距離模型，根據實時獲取到同車道前方行人與本車間的相對距離山來判斷車輛是否處於安全狀態；行人速度相對於車輛的速度近似為靜止，因此得制動臨界距離為下式:



?d^v^r+^ + ^ + d,(I)
2 2(pg 式中，vx0為本車的初始速度仁為駕駛員反應時間和制動協調時間之和，取值為0.8?1.0s, \為減速度增長的時間，取0.1?0.2s, φ為路面附著係數，Ψ的取值為0.6?0.8，g = 9.8m/s2, d0為本車停止時最低要求的距離； A2、行車安全狀態判斷 在獲取制動臨界距離後，安全狀態判斷模塊對本車的行車安全狀態進行判斷，判斷依據如下公式:
Clw (2) 如果本車與行人之間的實時距離d滿足公式(2)，駕駛員仍然沒有做出換道行駛或者其他安全措施，則判定為行車危險，需要對本車做自動換道處理；否則，行車處於安全狀態，車輛保持原狀態行駛； B、進行自動換道控制 自動換道控制模塊基於期望橫向加速度的避撞換道軌跡，採用終端滑模控制方法，通過對橫擺角的控制，使得實際橫擺角和期望的橫擺角的誤差趨於0，實現對換道軌跡的跟蹤，進而實現車輛避撞行人的自動換道控制，具體包括以下步驟: B1、建立橫向動力學和CarSim整車動力學模型 車輛動力學模型採用源於Ackermann所提出的理想模型，僅考慮車輛的橫向運動和橫擺運動，未涉及車輛縱向速度變化以及側傾運動的影響；前輪轉向的車輛橫向動力學模型表示為:..2(CV,W>.2(C:V； -C1J,.) IC1I1 c…Ψ =---7--fP--廠-'，丨+ -η~?(3)





2.2(C,+C,) 「，2(cy,-?./,.)].■…V=^L-V, - Vx + ~J」-φ + ^δ(4)
mvxmv χm式中，Vx、Vy和P分別為車輛縱向速度、橫向速度和橫擺角速度，m為整車質量，Iz為車輛繞垂直軸的轉動慣量，If和L分別為質心到前軸的距離和質心到後軸的距離，Cf、(；分別為前後輪胎的側偏剛度，δ為前輪轉向角；令ICfL?I(5) M2 =—^(>(6)
m 則式⑶、⑷簡寫成..lie,!,1 +cJr).1iclI1- C /).Ψ =--；-φ--—τ-Vy+Ul(7)
hIzVx.2(C/+C,.) 「 2(Cf!f-CJ,y.V1,=——--V1,- vY+———-φ + u,(8)
mv\_mv B2、求取期望的橫擺角速度考慮到直車道內的車輛換道，假設換道過程中橫向加速度滿足正反梯形約束條件:
V C1 or tA<t< L, Jj (,) =...-丨 u丨' t2<t< 廣；(9)
Oelse 上式滿足以下條件:
Vt0 = t5-t4 = Δ !
t2-t! = t4_t3 = Δ 2 (10)
t3_t2 = 2 Uft0) = 2 Δ j 式中，h為換道開始時刻，t5為換道結束時刻，Jmax為最大的橫向加速度；對Jd(t)積分得期望橫向加速度九(〖)，對期望橫向加速度九(〖)積分得橫向速度九(O、對橫向速度 積分得橫向位置yd(t)，、和A2按下式計算:
Δ I = amax/Jmax(^)Δ (12)
Imax I 式中，rw為起始車道和目的車道中心線間距，afflax為換道過程中最大橫向加速度；假定換道過程中車輛的縱向速度不變，則期望的橫擺角、橫擺角速度為下式: %(/) = arctan 匕(13) Iv ΦΛ1)= ；^::(14)i;v +.v(/v 7B3、終端滑模換道控制器設計B31、求取前輪轉向角控制量車輛的橫擺角速度分依靠車載傳感器檢測，車輛橫擺角計算如下: 爐⑴= I"'抑>/,(15)

J [O定義橫擺角誤差為:
(ρ,ΧΟ = φ(?)-(ρΛΟ(16)採用終端滑模控制方法，設計切換函數 s^9r+q^r+Qi9,kllh(17)其中A1X^q2XhkdPl1S正奇數，且I1Sk1，對式(17)求導，得 2{Cfl；+C1I,1).1(CfIf-CrIr)...q木砧—L(18)=———τ-Ψ———τ-V +UlUqiCP +^φ/1' φ !y,1^xI1由i = O，得等效控制為TiCfIf1 +Φ.2(Cflf-CrIr)...衲 kllA.lfVX lli ? =~—j-φ+-^--Vv +(pd -qm ~^0, Φ>0 ；k2 m 12為正奇數，且l2>k2，取控制量為U1 = Uuln (21)為控制車輛側滑運動的穩定性，令Vy滿足V =(22)根據橫向動力學模型，得控制量,,2(cf+cr) ,「.2(cVrC；uL?、 M 二-洳v+-' + V1+~?- φ(23)
mv xmvxν ,最終求得前輪轉向角為eIU -11,=ICtIjlIL-1CfIm(24)B32、穩定性分析
取Lyapunov函數K = 對其求導，得 r,.「Μ?/Ζ+?/2).KC1I1 -Cjl.)..■ ?■從,,,,.],… V = ss = s----φ----n +w1-% +m +^rfPr Ψτ(25)
IyxI VI1 推得= -[盧2 +辦(#必];因此，當s關O時，00，q2>0, ki和I1為正奇數,且I1/kZl，通過分析微分方程Φ,' + ql(pr + q2<p，"' = O的解知道，在滑動模態，橫擺角跟蹤誤差0，當 t —⑴，Vy — ο ; B33、換道控制 根據期望的橫擺角速度和實際的橫擺角速度，終端滑模控制器通過對橫擺角的控制使得實際橫擺角和期望的橫擺角的誤差趨於O，求得控制變量前輪轉向角，對CarSim整車動力學模型進行控制，實現對換道軌跡的跟蹤控制，進而達到自動換道控制的目的。
【文檔編號】B60W30/09GK104176054SQ201410407816
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】郭烈, 任澤建, 常靜, 嶽明, 楊曉莉, 常婧 申請人:大連理工大學